Zellfreie Polymerisation von Polyhydroxyalkanoaten (poly-woc), Center for Dynamic Systems (CDS) ZS/2023/12/182075 - 3.4. Neue recyclingfähige Polymere

Das Projekt poly-woc gehört zu dem Teilprojekt neue recyclingfähige Polymere, welches im Rahmen der Förderung für die Weiterentwicklung des Centers für dynamische Systeme finanziert wird. Das Projekt fokussiert sich auf die Entwicklung eines alternativen Herstellungsverfahrens für maßgeschneiderte Polyhydroxyalkanoate (PHAs). PHAs sind biobasierte Alternativen zu herkömmlichen erdölbasierten Kunststoffen, welche unter Umweltbedingungen abbaubar sind. Bei PHAs handelt es sich in der Regel um ein internes Produkt, da viele Mikroorganismen das Polymer in intrazellulären Granula einlagern. Daher ist bisher für die Gewinnung ein aufwendiger und kostenintensiver Extraktionsprozess nötig, um es von der restlichen Biomasse zu trennen. Des Weiteren sind die von Mikroorganismen hergestellten PHAs heterogen verteilt und weisen ein sehr breit gestreutes mittleres Molekulargewicht von 1,76 kDa bis zu 5,3 × 10³ kDa auf [1]. Zusätzlich ist eine hohe Polydispersität gegeben (PDI>2), welche eine direkte Anwendung oft einschränkt [2]. Die Möglichkeiten, diese Materialeigenschaften gezielt zu beeinflussen, sind in klassischen biotechnologischen Produktionsverfahren stark eingeschränkt. Grund dafür sind vor allem die räumlichen Strukturen der Granula sowie die wenig beeinflussbare Aktivität der PHA-Synthasen. Motiviert durch die genannten Limitationen der zellinternen Polymerisationen, wird im poly-woc Projekt an einer Polymersierung außerhalb von Zellen geforscht mit dem Ziel, eine verbesserte Kosten-Produkt-Bilanz durch gesteigerte Polymerqualität zu erzielen. Darüber hinaus soll ein vorgeschalteter Bioprozess die Precursor für die Polymersisation kostengünstig liefern. Schließlich soll mithilfe von Modell-basierten Methoden ein optimaler Gesamtprozess vorgeschlagen werden.
[1] C. Peña, T. Castillo, A. García, M. Millán, D. Segura. 2014. doi: 10.1111/1751-7915.12129. [2] M. Koller. 2022. Advances in Polyhydroxyalkanoate (PHA) Production, Volume 3. Vol. 9.

Cell-free polymerization of polyhydroxyalkanoates (poly-woc)

The poly-woc project is part of the new recyclable polymers sub-project, which is funded as part of the Center for Dynamic Systems' funding for further development. The project focuses on the development of an alternative manufacturing process for customized polyhydroxyalkanoates (PHAs). PHAs are bio-based alternatives to conventional petroleum-based plastics, which are degradable under environmental conditions. PHAs are generally an internal product, as many microorganisms store the polymer in intracellular granules. For this reason, a complex and cost-intensive extraction process is required to separate it from the remaining biomass. Furthermore, the PHAs produced by microorganisms are heterogeneously distributed and have a very broadly distributed average molecular weight of 1.76 kDa to 5.3 × 10³ kDa [1]. In addition, they have a high polydispersity (PDI>2), which often limits their direct application [2]. The possibilities of specifically influencing these material properties are severely limited in classic biotechnological production processes. The main reasons for this are the spatial structures of the granules and the fact that the activity of PHA synthases is difficult to influence. Motivated by the aforementioned limitations of cell-internal polymerization, the poly-woc project is researching polymerization outside of cells with the aim of achieving an improved cost-product balance through increased polymer quality. In addition, an upstream bioprocess is to supply the precursors for polymerization at low cost. Finally, an optimal overall process is to be proposed using model-based methods.
[1] C. Peña, T. Castillo, A. García, M. Millán, D. Segura. 2014. doi: 10.1111/1751-7915.12129. [2] M. Koller. 2022. Advances in Polyhydroxyalkanoate (PHA) Production, Volume 3. vol. 9.